En el campo de la ingeniería y la electrónica, la medición precisa de esfuerzos y deformaciones en materiales es fundamental para garantizar la seguridad y eficiencia de estructuras y dispositivos. Tradicionalmente, los sensores de esfuerzo o strain gauges han sido componentes especializados, a menudo costosos y delicados. Sin embargo, una innovación interesante ha surgido: la fabricación de sensores de esfuerzo directamente sobre placas de circuito impreso, comúnmente conocidas como PCB. Esta tecnología representa una solución atractiva no solo por su sensibilidad, sino también por su facilidad de fabricación y costo accesible. Un strain gauge fabricado con PCB utiliza la propia estructura del circuito impreso como elemento sensible.
En lugar de emplear alambres o películas metálicas convencionales, se diseñan y colocan patrones específicos en las capas conductoras del PCB, que se deforman al aplicarse una fuerza. Este proceso transforma la tradicional placa electrónica en un sensor capaz de medir deformaciones desde micrómetros hasta desplazamientos significativos, con un rango de deflexión completo que puede llegar hasta ±3 cm. El diseño de estos sensores es sumamente flexible. Pueden variar en tamaño, grosor y diseño del patrón, lo que permite adaptar el dispositivo a distintas aplicaciones. La recomendación general para la fabricación es utilizar un grosor de placa de 0,6 mm, aunque existe la posibilidad de ajustar este parámetro dependiendo de la sensibilidad y el rango de medición deseados.
De hecho, placas más delgadas producen un rango de salida de voltaje menor, lo cual puede ser útil para aplicaciones donde se requiera alta precisión en pequeños desplazamientos. Uno de los aspectos más destacados de los strain gauges de PCB es la incorporación de un puente de Wheatstone integrado en la disposición de las señales, por ejemplo, configuraciones de 4 o 2 elementos. Esto permite compensar efectos térmicos y variaciones que podrían alterar la precisión de las mediciones. La versión de dos elementos, aunque más simple, puede ofrecer menor deriva térmica y sesgos originados en el proceso de fabricación. Desde el punto de vista de la producción, estos sensores están diseñados para un ensamblaje manual sencillo, no requiriendo procesos industriales complejos como hornos de reflujo o soldadura por aire caliente.
Esto abre la puerta a prototipos rápidos o producciones en pequeña escala con un mínimo de equipo especializado, un gran beneficio para startups, laboratorios de investigación o entusiastas de la electrónica. En cuanto a su integración, estos strain gauges de PCB pueden funcionar de manera autónoma mediante el uso de microcontroladores pequeños y compactos, como el Seeed Studio XIAO RP2040, que incluye entradas analógicas y capacidad para procesar las señales capturadas. También es posible enlazarlos a microcontroladores externos a través de pines de conexión simples, facilitando su incorporación en sistemas existentes. Algunos diseños incluyen circuitos adicionales, como amplificadores y generadores de voltaje de polarización, pero estos pueden ser omitidos para simplificar el dispositivo dependiendo de la aplicación. La calibración y la programación del sistema requieren atención para garantizar resultados confiables.
Es fundamental que el sensor alcance una temperatura estable durante al menos cinco minutos antes de iniciar la calibración, ya que la temperatura afecta considerablemente la respuesta del sensor. El proceso de calibración puede incluir la compensación del offset y seleccionar la ganancia adecuada para obtener un equilibrio entre sensibilidad y rango. Para facilitar el análisis, existen scripts en Python y otras herramientas software que permiten visualizar y analizar las señales recogidas en tiempo real, lo que resulta muy útil durante pruebas y evaluaciones. Desde la perspectiva de la personalización, el diseño de la placa puede adaptarse de forma sencilla. Hay herramientas disponibles, como cuadernos de programación en Python, que permiten generar la huella del sensor pasando parámetros como el ancho, alto y curvatura para el elemento sensible.
El resultado se puede exportar a formatos vectoriales para editar visualmente en programas tipo Inkscape, y posteriormente convertir a un formato compatible con programas de diseño electrónico como KiCad. Esta flexibilidad es invaluable para investigadores y desarrolladores que necesiten medidas específicas en formas o tamaños que no se encuentran comercialmente. Los campos de aplicación para estos sensores de esfuerzo basados en PCB son numerosos y abarcan desde la investigación científica hasta la industria manufacturera. Se pueden utilizar para monitorear deformaciones estructurales en pruebas de materiales, evaluar la fatiga mecánica en componentes electrónicos, o incluso medir movimientos sutiles en instrumentos médicos o robóticos. Su bajo costo y facilidad de integración los hace ideales para proyectos educativos o experimentos donde se requieren múltiples sensores distribuidos.
